民用飛機結構無損檢測數據管理系統的設計與開發

詹紹正，寧 寧，王 丹，楊鵬飛，黃華斌

(中國飛機強度研究所，西安 710065)

民用飛機在服役過程中不可避免地會發生各種結構損傷，這些損傷數據是支持修理決策和修理方案制定的重要依據。飛機制造商會根據損傷數據進行評估和制定修理方案，在獲得適航批準后，飛機發往航空公司進行修理。這一過程需要用到很多的支持信息，如不同損傷類型對應的損傷參數、不同修理類型對應的修理參數等[1-3]。飛機實際發生的每一條損傷信息同時又包含著飛機信息、損傷位置、損傷類型、損傷尺寸、損傷發現時間、損傷原因、檢測方法等多源背景數據，如果不能規范、完整、準確地記錄這些信息，將直接影響結構損傷評估和修理決策的效率及準確性[4]。

通過長期對一架飛機或一個機隊在運營中出現的損傷及維護數據的跟蹤和監測，可以隨時掌握飛機的修理履歷，監控飛機的健康狀態，為合理調整檢查間隔或檢查級別提供支持。此外，飛機結構損傷出現的部位、時機和頻次也是飛機結構設計是否合理的直接反映，通過對大量結構損傷信息的統計分析，設計人員可持續對飛機結構的優化設計進行改進。

傳統的紙質化損傷記錄方式雖然在現場使用方便，但也存在記錄不統一、共享性差、統計分析不方便、大數據量管理困難等缺點。數字化管理系統可實現對檢測結果的數字化管理，是國外飛機維護機構普遍采用的技術。這些電子化管理系統可以實現對受損結構信息、檢測工藝信息、檢測時間、檢測結果、損傷圖像及信號特征等的規范化記錄和管理；同時，系統的統計分析功能便于維修人員和飛機設計人員直觀、快速地掌握飛機受損結構部位和損傷狀態，使其第一時間作出響應，保障民用飛機的持續適航性。

在飛機結構的長期檢測過程中，企業內部往往形成了特別多的以工具手冊、標準規范、工藝文件等文檔形式存在的無損檢測基礎資料，這些資料包含了很多檢測任務信息和檢測過程數據。

在飛機強度試驗過程中，民航系統尚未建立針對飛機結構無損檢測信息的數據管理系統，給試驗過程中的數據管理和結構維護決策帶來不便。隨著型號研制周期和試驗效率的加快，需要構建一個數據管理系統，以實現對民用飛機強度試驗中無損檢測信息的管理。筆者從無損檢測基礎數據管理系統的功能需求、架構設計、損傷數據源和編號規則、系統開發環境、系統功能及應用效果展示等方面詳細介紹了民用飛機結構無損檢測數據管理系統的設計和開發過程。

1 系統需求和分析

民用飛機結構強度試驗和服役過程中涉及到的無損檢測數據主要有飛機結構出現的損傷信息以及損傷檢測的無損檢測知識信息兩類。結構損傷信息具體包括損傷類型、損傷位置、損傷尺寸、損傷圖譜等信息；無損檢測信息包括檢測大綱、檢測標準、檢測程序、檢測工藝卡等。

目前，對多源異類數據普遍采用數據庫進行管理。數據庫是數據管理的基礎，具有數據結構化、減少數據存儲冗余、較高的數據獨立性、易于擴充、便于共享等優點[5-10]。結合結構損傷數據和無損檢測數據的自身特點，兩種數據信息采用獨立的數據庫進行管理，即設計的無損檢測數據管理系統中至少包含結構損傷數據庫和無損檢測知識數據庫兩個數據庫。

1.1 數據庫功能分析

綜合考慮結構損傷數據類型和日常的使用需求，結構損傷數據庫應能夠實現損傷數據的錄入、審批控制、損傷數據管理、損傷查詢和統計、損傷展示、損傷超閾值報警、損傷報告生成、損傷批量輸出等功能。

無損檢測知識數據庫應能實現多種格式無損檢測工藝信息數據的輸入、審批控制、管理以及檢索查詢等功能，并能將查詢的結果進行顯示、打印、下載保存等。

系統需具有用戶控制權限和定期自動備份功能，以及提供第三方軟件調用數據的接口。

1.2 系統綜合性能分析

為便于異地數據的傳遞和共享，系統需在網絡環境下運行，運行用戶數量不少于20。系統應操作簡便，可維護性高。系統支持32位、64位的Win7或更高版本的操作系統,支持IE9或者IE11以上的瀏覽器。

2 系統設計及開發環境

2.1 系統總體框架設計

系統總體架構上設計為數據建模模塊、系統管理模塊、結構損傷數據管理模塊和無損檢測知識數據管理模塊，系統功能設計框圖如圖1所示。

圖1 系統功能設計框圖

數據建模模塊負責系統運行所需模型字典的管理，包括機型、結構部位、檢測方法、損傷類型等數據庫中所需模型字典的創建及修改，并將這些基礎數據按層級關系或飛機的組成建立關聯，完成系統運行所需的基礎數據的建立。系統管理模塊用來實現對用戶的控制、用戶角色和權限的管理、菜單管理以及數據庫的備份管理。結構損傷數據管理模塊實現結構損傷數據庫的功能。無損檢測知識數據管理模塊實現無損檢測知識數據庫的功能。

系統采用門戶網絡集成方案設計將瀏覽器和服務器結構模部署在服務器上，通過服務器發布網絡地址進行系統啟動，圖2為無損檢測數據管理系統的網絡架構設計圖。

圖2 無損檢測數據管理系統網絡架構設計圖

2.2 損傷記錄數據源及編號規則設計

飛機結構的每一處損傷都包含著多種信息，為了全面、準確地反映每一損傷信息包含的背景數據，采用包含飛機機型信息、受損結構部位、損傷編號、損傷位置、損傷原因、損傷性質、損傷部位的結構類型、材料牌號、損傷尺寸、損傷圖譜、損傷發現時機、損傷發現方法、損傷處理方式等多源信息的結構損傷數據源記錄模型。

數據源記錄模型中，損傷部位按照ATA ispec 2200(航空維修資料標準)約定的飛機結構部位進行定義，損傷位置詳細描述損傷中心對應的準確位置。損傷原因包括疲勞損傷、環境損傷和偶然損傷3類。損傷性質反映損傷類型，具體包括腐蝕、裂紋、斷釘、雷擊、分層、脫膠、沖擊、積水等。損傷部位的結構類型和材料信息反映受損結構部位的結構形式和材料牌號。損傷尺寸包括損傷面積、長度、深度等信息。損傷圖譜反映損傷特征的圖片信息，如損傷形貌照片、超聲或渦流信號特征圖片、射線影像圖片、磁粉和滲透的痕跡顯示圖片等。損傷發現時機反映損傷被發現的時間、飛行小時數或起落次數。損傷發現方法反映發現損傷所采用的檢測方法，包括目視檢測、超聲檢測、射線檢測等多種無損檢測方法。損傷處理方式反映后續針對損傷的處理方法，如更換、螺接修理、挖補修理、貼補修理等。

損傷編號是每一損傷信息的唯一識別碼，用來快速對損傷進行檢索,并能夠直觀反映損傷的背景信息。為了方便后續結構損傷的識別、統計和分析，損傷編碼采用“型號代號-損傷部位章號-損傷部位節號-損傷性質代碼-損傷序號”組合的損傷編號規則。損傷部位章號和損傷部位節號采用ATA ispec 2200規定的飛機結構部位定義方式，將飛機結構劃分為艙門、機身、短艙和吊架、尾翼、窗、機翼6大結構模塊，損傷部位節號為依據ATA ispec 2200定義的飛機6大結構模塊對應的次級部位編號，采用兩位數字標識。民用飛機結構損傷編號規則設計方法如圖3所示。

圖3 民用飛機結構損傷編號規則設計方法

2.3 系統開發環境

系統基于SQL Server 2008數據庫環境，采用JAVA JDR1.8編程語言和Eclipse Mars開發工具開發。

系統客戶端采用IE 9及以上版本瀏覽器，最佳顯示分辨率為1 920像素×1 080像素，在其他分辨率下進行自適應顯示。

系統服務器端支持Windows server 2008及以上版本環境，WEB服務器采用Tomcat7，服務器為雙CPU，內存不低于16 G，硬盤容量不小于1 T。

3 系統功能及效果展示

開發的民用飛機結構無損檢測數據管理系統啟動界面采用用戶登錄控制，系統登錄界面和主界面如圖4所示。用戶既可以通過企業門戶網站實現單點登錄，也可以輸入注冊的用戶名和密碼進行登錄。登錄后系統具體包括結構損傷數據管理、無損檢測知識數據管理、數據建模和系統管理等4個主要單元模塊。

圖4 系統登錄界面和主界面

3.1 數據建模

數據建模模塊包含機型添加、結構部位添加、機型與結構部位管理、模型字典添加、模型字典管理等功能，可用來實現對損傷數據庫所需的機型創建、結構部位的定義和管理、損傷類型以及檢測方法等一些公用信息的定義和管理。機型模型和結構部位創建功能界面如圖5所示。

圖5 機型模型和結構部位創建功能界面

3.2 系統管理

系統管理模塊包含用戶管理、角色管理、菜單管理、數據庫備份、報警管理以及損傷顯示顏色的管理等功能，可實現用戶的添加、用戶角色權限的設定、系統菜單管理、損傷報警閾值管理以及損傷標識管理等功能。通過用戶添加和用戶角色管理可以創建新的用戶并賦予相應的系統權限。數據庫備份能夠實現通過頁面即可在服務器上進行數據備份；通過報警管理能夠實現在用戶錄入損傷數據時，對尺寸超過設定閾值的損傷進行報警提示，提醒檢測人員重點關注或增加檢測頻次。損傷顯示顏色設置用來定義不同位置的損傷在飛機結構全局顯示中的顏色，方便用戶直觀了解損傷的全局分布。

3.3 結構損傷數據管理

結構損傷數據管理單元負責結構損傷信息的錄入、管理、統計分析、展示和輸出等功能。在損傷數據錄入時，為了確保錄入損傷的準確性，數據庫中設計了審批功能，檢測人員錄入的損傷數據只有通過型號主管審批通過后才可錄入數據庫中。系統針對數據中的每一條損傷數據，自動生成一個唯一性的損傷識別二維碼，可在飛機實際結構損傷部位進行噴繪或黏貼，后續檢測人員通過掃描二維碼與數據庫系統鏈接，方便對損傷進行及時跟蹤和擴展監測。數據庫中的損傷信息能夠由EXCEL表格批量輸出。

系統利用WebService方式向第三方系統提供了損傷數據庫訪問接口，可供其他系統訪問損傷數據庫并提取損傷信息。

在結構損傷數據庫中，通過選定機型、受損結構部位、損傷類型等信息后,系統會根據損傷編號規則自動生成損傷編號，避免人工編號帶來的誤差和錯誤。針對每一編號損傷，通過依次錄入損傷位置、損傷特征圖譜、損傷坐標、受損結構形式及材料、損傷尺寸、檢測方法、檢測時間、檢測人員等信息完成對完整損傷數據的錄入。

圖6為結構損傷數據管理功能界面，該功能可以實現新損傷數據的添加以及對數據庫中已有損傷數據的編輯、刪除等操作。在損傷統計功能下，用戶對數據庫中的損傷數據可以按結構部位、損傷類型、結構形式、檢測方法、時間節點和損傷擴展情況等進行獨立條件或多條件的關聯統計分析，獲得不同結構部位、不同損傷形式的發生數量和占比。

圖6 結構損傷數據管理功能界面

3.4 無損檢測知識數據管理

無損檢測知識數據管理單元負責實現對無損檢測標準、規范、工藝文件等檢測知識數據的錄入、審批、管理、檢索和輸出等功能。

圖7為結構無損檢測知識數據庫管理界面，通過數據庫，擁有相應權限的用戶可以創建目錄，將圖片、word、pdf等多種格式的檢測工藝文件錄入數據庫，供現場檢測人員查詢和下載，指導現場檢測人員的檢測作業。同時，現場檢測人員也可把現場的檢測結果、檢測報告等數據錄入平臺，供檢測工藝設計人員分析和優化檢測工藝使用。數據庫提供了按文件名稱、文件編號、檢測方法、結構形式等多種條件進行檢索的功能，方便用戶在大量數據中及時獲取需要的檢測知識信息。在數據錄入時，為了保證錄入數據的質量，系統設計了審批控制功能，確保錄入數據的準確性。

圖7 結構無損檢測知識數據庫管理界面

4 結語

針對民用飛機無損檢測數據電子化管理的迫切需求，設計并開發了飛機結構損傷與無損檢測知識數據管理系統，實現了對民用飛機結構強度試驗過程中的結構損傷數據和無損檢測工藝知識數據的規范化、電子化和網絡化管理，提高了無損檢測數據管理、傳遞和挖掘再利用的便捷性。系統方便了用戶及時獲取飛機結構在強度試驗過程中的易損結構部位、高發損傷類型、損傷發生時間及擴展趨勢、損傷檢測方法及工藝方案等信息，可為結構安全評估和修理方案的制定提供完整、準確的無損檢測數據資源，并可為飛機結構的優化改進和外場服役中的檢測維護提供支持。